复合材料孔隙率超声无损检测方法

复合材料孔隙率超声无损检测方法

复合材料（如碳纤维增强聚合物CFRP、玻璃纤维等）在制造过程中易产生孔隙（0.1%~5%体积分数），影响力学性能（如层间剪切强度）。超声检测是评估孔隙率的常用方法，主要分为 接触式 和 非接触式 两类。

一、检测原理

1. 超声信号与孔隙的相互作用：

• 孔隙会散射、衰减超声波，导致 声速降低 和 信号幅值下降。

• 通过测量 声速（$v$）、衰减系数（$\alpha$） 或 回波频谱 反演孔隙率。

2. 理论模型：

• 声速-孔隙率关系（经验公式）：

  $$v=v_0(1-kP)$$

  其中 $v_0$ 为无孔隙材料声速，$P$ 为孔隙率，$k$ 为材料常数。

• 衰减-孔隙率关系：高频超声对孔隙更敏感（散射衰减主导）。

二、检测方法分类

1. 脉冲回波法（接触式）

步骤：

1. 使用高频探头（通常 5~20 MHz）发射超声波，接收材料底面或缺陷反射回波。

2. 测量 声时（$\Delta t$） 和 幅值（$A$），计算声速 $v=2d/\Delta t$（$d$ 为厚度）。

3. 通过标定曲线（声速/衰减 vs 孔隙率）定量评估。

适用场景：

• 实验室或工厂环境（需耦合剂，如水或凝胶）。

• 典型设备：Olympus OmniScan、Sonic Systems。

2. 穿透传输法（Through-Transmission）

步骤：

1. 发射探头与接收探头分别置于材料两侧，测量穿透信号的 幅值衰减 或 飞行时间。

2. 高孔隙率区域表现为 信号延迟 和 能量损失。

优势：

• 信噪比高，适合大厚度复合材料（如飞机机翼）。

• 设备示例：美国Physical Acoustics 的穿透式超声系统。

3. 空气耦合超声法（非接触）

步骤：

1. 使用低频空气耦合探头（50~500 kHz）激发/接收超声波。

2. 通过信号处理（如时间反转法）补偿空气-材料界面的能量损失。

适用场景：

• 不允许接触的敏感材料（如预浸料、蜂窝夹层结构）。

• 厂商：德国Fraunhofer IKTS、Ultrasonic Sciences Ltd。

4. 激光超声法（高精度）

步骤：

1. 脉冲激光激发超声波，干涉仪接收表面振动信号。

2. 分析超声频散特性或衰减谱反演孔隙率。

优势：

• 空间分辨率达 微米级，适合高精度需求（如航天部件）。

• 设备示例：加拿大Tecnar 的激光超声系统。

三、数据处理与孔隙率反演

1. 标定法：

• 制备已知孔隙率的标准试样，建立 声速-孔隙率 或 衰减-孔隙率 数据库。

2. 模型反演：

• 基于声学散射理论（如Biot模型）拟合实测数据。

3. 人工智能辅助：

• 使用深度学习（如CNN）直接从超声信号图像中预测孔隙率（如美国NASA的AI算法）。

四、技术挑战与解决方案

五、应用案例

1. 航空航天：

• 波音787机翼蒙皮孔隙率检测（穿透传输法，孔隙率要求<1%）。

2. 风电叶片：

• 玻璃纤维环氧树脂的在线超声监测（空气耦合法）。

3. 汽车碳纤维：

• 宝马i3车身部件激光超声检测。

六、标准与规范

• ASTM E2580：用超声接触法测量复合材料孔隙率的标准。

• ISO 19603：纤维增强塑料的超声检测方法。

七、未来趋势

1. 全场成像技术：相控阵超声（PAUT）生成孔隙率分布图。

2. 嵌入式传感器：在制造过程中集成光纤超声传感器实时监测。

3. 多模态融合：超声+红外热成像联合评估孔隙与分层缺陷。